基于Mach-Zehnder干涉光纤湿度传感器研究进展*

王一飞， 王梦梦， 文 丰， 杨啸宇， 华尔天， 闫树斌,

(1.中北大学 仪器与电子学院 仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051;2.浙江水利水电学院, 浙江 杭州 310018)

0 引 言

相对湿度检测[1～4]在农业、食品加工、生物医学、气象服务、半导体工业等领域都有着极为广泛的应用，这些测量对于提高产品质量和降低成本具有非常重要的意义。光纤湿度传感器[5～8]与传统的电子湿度传感器相比具有体积小，质量轻的特点，可以在易燃易爆、高温高压等极端恶劣环境中工作，同时还具有较强的抗电磁干扰能力和较高的灵敏度。因此，光纤湿度传感器以其独特的优势引起了研究者的广泛关注。

Mach-Zehnder干涉(MZI)[8]是指由光源发出的两个频率相同、偏振方向一致、相位差恒定的光波，在相遇的空间区域会发生光强重新分配的现象，即双光束干涉现象。MZI结构的优势包括制造工艺简单，通过对光纤进行熔接或拉锥处理，即可形成稳定的干涉结构。它具有稳定性强，受外界干扰小，结构紧凑，易于制作等一系列突出的优点，以MZI结构为传感单元的新一代湿度传感器，成为湿度传感领域的研究热点。

本文介绍了基于MZI光纤湿度传感器的原理及国内外研究进展，对目前各种类型光纤干涉结构的优缺点进行了分析，并对未来基于MZI光纤湿度传感器的发展趋势进行了展望。

1 基于MZI光纤湿度传感器的工作原理

传感器的基本原理是利用光纤微制作技术，使光纤的芯径发生改变，当光在芯径突变处传播时会激发光纤的包层模，使包层模和纤芯模分别沿着光纤的方向传播，在经过下一个芯径突变处时，包层模和纤芯模会重新汇合，从而形成了MZI。由于包层模的模场在传播时会通过倏逝场的形式渗透到光纤外，当外界湿度变化时，会影响到包层模的模场分布，进而可以观测到干涉光谱的变化，实现对湿度的检测。

2 基于MZI光纤湿度传感器的国内外研究现状。

光纤微加工技术的发展为基于MZI光纤湿度传感器的研究带来了极大的便利。根据制作原理的不同，传感器大致可以分为两类：锥型和纤芯失配型。

2.1 锥 型

锥型干涉[6]的制作原理是使用拉锥或熔融法，使得光纤的直径发生突变(变细或变粗)，从而在传播过程中激发光纤的包层模。

2013年，暨南大学Tan Y等人[9]将一根单模光纤(single mode fiber,SMF)通过拉锥形成两个直径为3.8 μm的锥区，其结构如图1(a)所示，两个锥区分别起到了分束器和组合器的作用，实现了基模和包层模之间的能量转移；该传感器具有97.76 pm/%RH的湿度响应，响应时间为188 ms，同时温度灵敏度仅为4.74 pm/℃。在不同湿度下的干涉光谱分布如图2(a)所示，从图中可以看出随着相对湿度的增加谐振波长发生了明显的漂移。2015年，南开大学Liu H等人[10]采用简单的熔融法，将单模光纤制作为S锥形，并在S锥区上涂覆了SiO2纳米薄膜，实验结果表明，在83.8 %～95.2 %RH的高湿环境中，湿度灵敏度达到了1.171 8 nm/%RH，该结构在涂覆薄膜后湿度灵敏度有了较大的提升。2016年，中国计量大学Wang Y等人[11]通过熔接SMF，在熔接处形成了两个如图1(b)所示的腰部放大的锥区，并在两个锥区之间包覆了一层氧化石墨烯(graphene oxide,GO)/聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)复合膜，设计了一种基于强度检测的MZI湿度传感器，在25 %～80 %RH范围内，湿度灵敏度为0.193 dB/%RH,不同湿度下的干涉光谱分布如图2(b)所示；从图中可以看出随着湿度增加，谐振波长的漂移量很小，而谐振波谷明显的变浅。同年，Lokman A等人[12]利用类似的结构在两个锥区之间涂覆了一层ZnO纳米薄膜，提出了一种基于波长漂移的湿度传感器，湿度灵敏度达到了0.02 nm/%RH。基于上述结构，2017年，中国计量大学Ni K等人[13]在两个锥区之间沉积了一层壳聚糖(chitosan)薄膜，在10 %～90 %RH范围内，湿度灵敏度达到了119.6 pm/%RH，该传感器具有较大的测量范围和较高的灵敏度，但由于壳聚糖材料的温敏特性，温度灵敏度也达到了57.9 pm/℃，温度变化对湿度检测的干扰较大。锥型干涉具有结构简单，制作成本低等优点，使得这种类型的干涉更适合于实际应用。此外，由于此类干涉具有快速响应的传感特性，可用于实时监测湿度变化，但由于光纤的锥形传感区结构非常脆弱，容易受到光源波动，平台震动等因素的干扰，同时较大的整体尺寸，也限制了其在微结构中的应用。

图1 锥形光纤传感器结构

图2 不同湿度下干涉光谱分布

2.2 纤芯失配型

纤芯失配型的制作原理即为通过熔接不同芯径的光纤，造成纤芯直径不匹配去激发光纤的包层模，根据熔接光纤类型的不同，又可分为以下几类。

2.2.1 光子晶体光纤

2013年，澳大利亚新南威尔士大学的Noor M Y M等人[14]利用光纤熔接机将SMF—光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)-SMF三段熔接，利用PCF和SMF的芯径不同，形成如图3(a)所示MZI结构。在60 %～80 %RH范围内，湿度灵敏度为60.3 pm/%RH，在80 %～95 %RH范围内，湿度灵敏度为188.3 pm/%RH,传感器响应时间为1 s，该传感器的温度灵敏度仅为0.5 pm/℃。同年，都柏林理工学院Mathew J等人[15]首次提出了基于湿敏材料涂覆的干涉型PCF湿度传感器。通过在PCF表面上涂覆了一层琼脂糖薄膜聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA),实现了湿度的测量。在40 %～80 %RH范围内，湿度灵敏度为0.57 nm/%RH,在80 %～95 %RH范围内，湿度灵敏度为1.43 nm/%RH,响应时间为86 ms,温度灵敏度为0.27 nm/℃。涂覆湿敏薄膜后传感器的灵敏度和量程范围均有了较大的提升，但由于涂覆材料具有一定的温敏特性，温度对湿度测量的干扰也在增大。之后Mathew J等人[16]又研究了在不同涂覆层厚度下的湿度响应，研究发现，通过选择最佳的涂层厚度可以获得最高的灵敏度；2017年，西班牙纳瓦雷公立大学Lopez T D等人[17]通过在PCF上沉积了一层由烯丙基胺酸盐(PAH)和丙烯酸(PAA)聚合物组成的纳米薄膜，实现了湿度的测量，通过对涂覆工艺的改进，可以对纳米膜的厚度进行精准的控制以及重复的制作;此外，还利用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)对湿度传感器的响应做了线性化处理，提出了通过检测相位位移改变来检测湿度变化，在20 %～95 %RH范围内，湿度灵敏度为0.86 mrad/%RH,响应时间约为0.3 s，该传感器克服了以往涂膜不均匀，响应线性相关性差等不足，可实现传感器的重复制作。2018年，西北大学张攀等人[18]通过将薄壁的柚子型光子晶体光纤(grapefruit PCF,G-PCF)与一段多模光纤(multi-mode fiber,MMF)熔接，同时利用飞秒激光去除G-PCF部分包层,形成如图3(b)所示的MZI结构，通过中间熔接的多模光纤可以增强高阶模的激发，提高灵敏度。湿度和温度灵敏度分别为-0.077 dB/%RH,为3.3 pm/℃,相对湿度的改变主要引起干涉光谱强度的变化，而温度的改变主要引起干涉光谱波长的漂移，利用这种特性该传感器可以实现对温度和湿度的交叉测量。

图3 基于PCF传感器结构

2.2.2 多模光纤

2014年，西北工业大学Shao M等人[19]在多模光纤(MMF)两端熔接SMF形成如图4所示的干涉结构，通过MMF和SMF熔融产生的两个扩大的腰锥增强了包层模式的激发,在35 %～90 %RH范围内，湿度灵敏度为0.119 dB/%RH,温度响应仅为3 pm/℃,该传感器具有良好的温度不敏感特性。同年，中国计量大学An J等人[20]在MMF表面涂覆了一层PVA薄膜实现了湿度的测量，在35 %～85 %RH范围内，湿度灵敏度为0.233 nm/%RH。温度响应为80.2 pm/℃，涂覆薄膜后湿度灵敏度有了明显的增加，但温度对湿度测量的影响也在增大。2018年，陕西榆林学院Cheng J N等[21]将SMF和MMF横向偏置熔接形成了MZI干涉，在35 %～95 %RH范围内，灵敏度为-0.048 7 dB/%RH。响应时间为14.1 s。

图4 基于MMF传感器结构

2.2.3 无芯光纤

2016年,中国计量大学Miao Y等人[22]在锥形方形无芯光纤(tapered square no-core fiber,TSNCF)两端熔接SMF，形成如图5所示的干涉结构，并在TSNCF表面涂覆了一层对湿度敏感的SiO2纳米薄膜，在83 %～96.6 %RH范围内，灵敏度达到了584.2 pm/%RH，温度响应仅为6 pm/℃,该传感器在高湿环境中同样具有很高的灵敏度，同时温度变化对其测量的影响很小。2017年，天津大学Xu W等人[23]在无芯光纤表面包覆了一层PMMA薄膜，产生了多模干涉。在30 %～75 %RH范围内，灵敏度为-149 pm/%RH,响应时间和恢复时间分别为4.8 s和7.1 s，响应较慢。涂覆薄膜后在低湿环境中的湿度灵敏度有了很大的提高。

图5 基于NCF传感器结构

2.2.4 其他光纤

2016年，西北大学Liu N等人[24]在两个SMF之间熔接了一段长度为8 mm的空芯光纤，利用空芯光纤的纤芯直径与SMF的纤芯直径不同，光在熔接点处激发了包层模从而形成了干涉。通过实验证实了当外界环境湿度发生变化时，干涉谱线的透射强度也会发生改变，湿度灵敏度为0.005 42 dB/%RH，温度灵敏度为5.5 pm/℃。2018年,华南师范大学Liu S等人[25]提出了一种基于SMF纤芯偏置的湿度传感器，该传感器由3个SMF组成，通过纤芯偏移拼接而成。在偏芯的SMF表面涂有氧化石墨烯(GO)薄膜，在30 %～60 %RH范围内，灵敏度为0.104 dB/%RH,响应曲线具有良好的线性相关性。2019年，厦门大学Lei X Q等人[26]提出了一种基于双模光纤(dual-mode fiber,DMF)的新型湿度传感器，在DMF两端熔接SMF并在其表面涂覆一层聚酰亚胺(polyimide,PI)薄膜，在30 %～98 %RH范围内，灵敏度为153.5 pm/%RH，响应时间为105 s,响应较慢。

纤芯失配型干涉即通过熔接不同芯径的光纤可以形成稳定的干涉，较锥形干涉相比具有较强的机械强度，同时熔接后的结构具有较好的密封性，可以防止在传感器制造后任何污染物进入光纤内部对传感器的测量造成影响。但由于熔接光纤类型的不同，部分类型的光纤成本较高，同时为了提高灵敏度往往需要涂覆湿敏薄膜，但涂覆薄膜使得传感器需要额外的工艺，这是一个复杂且难以控制均匀性的过程，且对传感器的响应时间和寿命产生一定的影响；另一方面，涂层材料具有一定的温敏特性，温度会对使测量误差增大，影响测量的精度。

本文围绕近年来涉及基于MZI干涉光纤湿度传感器的相关研究论文，对用于测量相对湿度的不同干涉结构进行了简要的说明。表1总结了这类湿度传感器的传感特性和结构特点。

表1 基于MZI光纤湿度传感器的性能比较

3 结束语

文中介绍了基于MZI光纤湿度传感器的国内外研究进展，虽然该领域近年来取得了长足的发展，但是仍然有很多关键性技术需要研究和探索，如锥形干涉测量的稳定性；纤芯失配型仍需提高湿度灵敏度；涂覆湿敏薄膜后温度对测量结果的影响以及湿敏材料的复用性等问题。随着对关键技术的进一步研究探索和相关光纤微加工技术的不断发展，各种新型特种光纤将会被广泛的应用其中，同时使用熔接、拉锥或熔融、镀膜等一种或多种工艺来不断提高传感器的性能参数。基于MZI干涉光纤湿度传感器必将在湿度测量传感领域发挥出更大的作用。